JP6153556B2 - 電気化学電池スタック - Google Patents

Description

本発明は電気化学電池スタック構造体に関する。

電気化学電池は、従来、スタック中に、バイポーラプレートの間に挟まれた膜電極アセンブリを備えている。このプレートは通常、集電装置として働くので、その電極すなわちパッキング構造体は電流場（電流フィールド）を形成している。スタック中に電池の異なる部品が連結されているので、圧力を加える必要がある。この連結は、通常、電池の外周に軸方向に配置されたタイロッドを利用することによって達成される。

電池がタイロッドを使って密閉される場合、その電池の活性領域(active area）（すなわち膜電極アセンブリ）全体に均一な圧力を確実に加えることが困難な場合がある。この構造体のもう一つの問題は、電池の周囲には良好な度合いで圧力が加えられるが、電池の中心部すなわちタイロッドが配置されていない場所は、外側に湾曲して圧力を保持できなくなることがあることである。また、電池を補修する必要があるとき、タイロッドや多数のばね実装部品を取り外す工程は面倒である。

弾性部品が、各末端にて、エンドプレートと電池の間で圧縮されていることがみられることがある。この種の電池では、圧力の均一性が、より良好に達成されるが、加えられるのは持続性圧力である。この圧力は、融通が利かず、部品または部材を取り換えることでしか制御できない。このことは、接触の大きさ（contact magnitude）が、隣接する部品間の抵抗損にとって、したがって全効率にとって最も重要であるから、問題となる。

電池の活性領域を、密封部分を形成しかつ反応物を送り出す領域から隔離することが有利であることが分かった。これらの領域は、ともに加圧する必要がありかつ別個に加圧することが有利であることも分かった。このように加圧することによって、活性領域に均一な圧力が加わり、その結果、この圧力は密封力から独立して良好に微調整することができる。したがって、第一の側面によれば、電池スタックは、スタックの各末端にエンドプレートを有する一つの電気化学電池または軸方向に配列された複数の電気化学電池を含み、その各電池は、周囲領域で囲まれた活性領域を備えその活性領域は膜電極アセンブリを有し、そして周囲領域は反応物用のチャネルを有し、ならびにスタックは、活性領域に対して軸方向に圧力を加えて膜と電極を接触させる手段および周囲領域に対して軸方向に圧力を加える別個の手段を備えている。

第二の側面によれば、周囲領域によって囲まれた活性領域を有する電池内で電気化学反応を実施する方法は、活性領域に圧力を加えること、および電池の作動（generation）中にその圧力を変化させることを含み、そして、その活性領域は、膜電極アセンブリを備え且つ電池反応が起こる領域である。

単一電池の分解図（全体設計図） １．チタンフォイルのバイポーラプレート ２．ポリマーのガスケット ３．電極支持体 ４．電池フレーム ５．膜 ６．電池フレーム ７．電極 ８．ポリマーのガスケット ９．電極 １０．網 １１．電極支持体 貫通孔を設けられた単一電池 １．チタンフォイルのバイポーラプレート ２．ポリマーのガスケット ３．電極支持体 ４．電池フレーム ５．膜 ６．電池フレーム ７．電極 ８．ポリマーのガスケット ９．電極 １０．網 １１．電極支持体 典型的なスタックの断面図 １．タイロッド ２．Ｏリング ３．皿頭ねじ ４．ポリマーのガスケット ５．エンドプレート ６．ポリマーのピストン ７．銅プレート ８．銅製心棒 ９．バイポーラプレートフォイル １０．Ｏリング 高接触力と最適化電極を使用した場合の性能図 多孔質流路を有する周囲プレート 燃料電池の実施形態

用語「電気化学電池」は、本明細書で使用する場合、電解槽(electrolyser)と燃料電池の両者を備えている。本発明はこれら両者に等しく適用できる。

一実施形態では、各電池構造体は導電性ディスク（バイポーラプレート）を備え、このディスクは好ましくは二次元の形態で、その厚さは適切に変形できる。好ましくは、そのディスクは、周囲に切り抜かれた複数のマニホルド（反応物用のチャネル）を有している。この導電性ディスクは、スタックの周囲面積の一部を形成する外側領域と、スタックの活性領域の一部を形成する内側領域を備えている。

好ましい一実施形態では、本発明の電池はガスケットを備えており、そのガスケットは中空であり、好ましくはその構造体から切り抜かれた同じ配列のマニホルドを有している。好ましくは、ガスケットは熱可塑性物質、エラストマー、ポリマー、またはセラミックである。ガスケットの組み立て条件は、当業者にはよく知られている。

好ましい一実施形態では、本発明の電池は、中空の周囲プレートを備えている。そのプレートは金属または非金属でもよい。一実施形態では、このプレートはポリマーである。しかし、高圧電池の場合、金属製の周囲プレートの方が好ましい。好ましくは、フレームリングは実質的に二次元の形態でありすなわち非常に薄くかつ平坦である。フレームリングは、表面がテクスチャー加工されているかまたはテクスチャー加工されていなくてもよい。好ましくは、フレームリングは、また複数のマニホルドを有している。

図面から明らかなように、本発明の電気化学電池スタックは、軸方向に配置された個々の部品で形成されている。好ましい一実施形態では、そのスタックは実質的に管状形態である。

チャネルまたはマニホルドは、生成物および反応物を電池中に送り込むかまたは電池から送り出す手段である。一実施態様では、周囲プレートのマニホルドには少なくとも一つの通孔が貫通して設けられ、その通孔により、膜電極アセンブリとマニホルドの間を、反応生成物が流動する。もう一つの実施形態では、周囲プレートの全体部分（complete portion）が取り除かれて、膜電極アセンブリとマニホルドの間に、より大きい開口が設けられる。好ましくは、その開口に多孔質の構造体を充填して、高度にカスタマイズ可能な流れの構成を可能にする。この実施形態は図５に例示してある。

もう一つの実施形態では、貫通穿孔は不要であり、代わりに彫刻法が利用されて、周囲プレートの表面にくぼみが設けられ、その結果、流体はマニホルドから活性領域まで通過できる。このことは、反応物を活性領域に送ることができるように、接合面を機械加工して少なくとも一つの溝を設けて接合した二つの別個の周囲プレートで、一つの周囲プレートを取り換えることによっても達成できる。ガスケットは、溝が設けられると流体が流動可能でかつ他のマニホルドが確実に密閉されるように、二つの接合面の間にサンドイッチ状に挟み込まねばならない。

好ましい一実施形態では、膜はポリマーの膜である。この膜は好ましくは親水性のポリマー膜である。最も好ましくは、そのポリマーは、親水性モノマー、疎水性モノマー、イオン強度が高いイオン基を含むモノマー、および水を共重合させることによって製造される。好ましくは、ポリマーは架橋される。

本発明の電気化学電池スタックは、二つのエンドプレートの間で密封されている。一実施形態では、外圧が、電池の活性領域だけに、すなわち軸方向配列の中心に、直接加えられる。この実施形態では、外圧は、スタックの周囲領域、すなわち軸方向配列の外側部分には加えられない。外圧は軸方向に加えられている。

好ましい実施形態では、活性領域に圧力を加える手段が調節可能なので、圧力の大きさは、電池の条件にしたがって制御／変更することができる。

好ましくは、活性領域に圧力を加える手段は、ピストンであり、好ましくは水圧ピストンまたは液圧ピストンである。しかし圧力を加えるのに適切な別の手段があり、これらの手段は、当業者には公知である。例えば、ばねを使って活性領域に圧力を加えることができる。

もう一つの実施形態では、スタックは、活性領域に圧力を加える手段と周囲領域に圧力を加える別個の手段とを備えている。周囲領域に圧力を加える手段は、活性領域に圧力を加えるのに使用する手段と同じタイプのもの、例えば、水圧ポンプでよい。あるいは、タイロッドを使って、周囲領域に圧力を加えることができる。その重要な特徴は、活性領域に圧力を加える手段が、周囲（ガスケット）領域に圧力を加える手段から分離されていることである。

タイロッドシステムを使って、周囲領域に圧力を発生させて維持する場合、その圧力は、好ましくは、ガスケットのカラム、不導性の（例えばポリマーの）フレームリング、および膜の外側領域に作用して、側面間の可能な差圧で、横断電池シーリング（cross-cell sealing）を行って、全体の漏電防止の密封性を確実にする。この実施形態は図２に示してある。

水圧ポンプを使って活性領域に圧力を加える場合、ピストンラムは、電流フィードスルーに固定することが好ましく、また電流フィードスルーは好ましくは導電性の高い材料で形成される。

好ましい一実施形態では、スタックは、従来のエンドプレート、タイロッド、および皿型座金を備えていない。この実施形態では、周囲圧力は活性領域圧力とは別個に加えられるので、従来のエンドプレートはない。スキッド配置（skid arrangement）を利用することができ、これは、Ｉビーム鋼材の構造体を備え、二つの別個の油圧回路（hydraulic circuit）を収納して、周囲圧力を加え、かつ活性領域圧力を別個に加える役割を果たす。この実施形態は、拡張性及び組み立てやすさから特に望ましく、というのは、この実施形態は、スタックをいくつかの構成要素に分解し、オーダーデカップリングポイント（order decoupling point）（予測主導型（forecast driven）の在庫管理法と需要主導型（demand driven）の在庫管理法の分離）を移動させて、反応主導型（reactionary）もしくは需要主導型（demand-driven）のサプライチェイン要素を最大にするからである。

第二の利点は、作動部品の取り換えは容易であるが、時間の経過とともに損傷しにくい部品を完全に除去して補修する必要がないことである。第三の利点は、部品の数が劇的に少ないことである。

異なる領域（活性領域と周囲領域）に圧力を加える手段には、別個に制御できるというさらなる利点がある。例えば、システムのアイドリング期間中、活性領域に対する圧力を解除して、膜（親水性であることができる）が水を再吸収できるようにすることは有利であろう。こうすることによって、システムの寿命を改善することができる。さらに、本発明の電池の出力は、圧力を変えることによって、制御できることが（実施例に）示されている。ガスケットの圧力とは別個にこれを実施することは、有利でありかつエネルギー効率が高い。

活性領域と周囲領域の圧力を分離すると、膜材料に対する圧力を一緒に増大してその材料を変形させ、その結果、その構造の集積度を損なうことがないようにすることもできる。

一実施態様では、マニホルドと活性領域の間の領域には多孔質の物質が含まれ、反応物の良好な分布と生成物の良好な排除を可能にする。好ましい実施形態では、関連する二つのマニホルドの間に、（differential porosity）不同孔隙率の系を使用して、小さい背圧を与え、電池内により最適化された物質輸送をもたらすことができる。その多孔質物質は、金属焼結物、ポリマーまたはセラミックを含んでもよい。このような焼結物を採用して、全スタックを通じて反応物の流れと水の収集を積極的に管理することにより追加の利点を提供することができる。

中空の不導性フレームリングはポリマーでもよい。好ましくは、このリングは、低ＴＯＣ(Total Organic Carbon)の耐熱性エンジニアリングポリマーで製造される。この不導性リングは、比類なく費用効率が高く、かつ使用される材料により及びその材料が実質的に二次元の形態であることにより、成形の精度を正確に予想するのに好適である。

薄いバイポーラプレート（導電性ディスク）は、材料の使用量が少ないことと、さらにその二次元の形態から、比類なく費用効率が高い。

好ましい実施形態で、バイポーラプレートは、厚さを適切に変更することができ、必要に応じて電池から電池へと移動させることができる。これは、膜支持構造体のアセンブリ耐久性を得る潜在的に新しい方法、および各電池の均一な圧縮を確保する手段を提供する。

不導性の中空フレームで構成された周囲領域は、電池に耐衝撃性または耐振性を与える。

スキッドを搭載した端部圧力システムの設計には、一般に亜鉛メッキされた「Ｉビーム」が含まれる。二つの別個の油圧回路（周囲圧力と活性領域圧力）およびピストンで作動されるエンドプレートは、好ましくは、圧縮空気で作動する増圧装置で動力が供給される。

高圧スタックの実施形態を本発明にしたがって製作し、耐圧試験を行い、次いで１８０バールを超える圧力で密封した。図４は異なる電極と異なるピストン圧を利用して得られた性能を示す。図４は、ピストン接触圧が非常に高い高圧の実施形態（２０１１ ０１ １４ ＨＰ）とピストン圧がより低い低圧の実施形態（Ｌａｍ００２）の間の性能の優位な向上を示している。これらの電極はまた、高圧の場合（２０１１ ０１ １４ ＨＰ）に最適化されている。

電池内の電流（Ａ／ｃｍ²）が高ければ高いほど、電池の効率は高い。電気効率ゲインは、約２００ｍＶ、すなわち１３．５％である。これは、電池の活性領域に圧力を加えると有利であることを示している。
本発明はまた、以下の内容を包含する。
（１）
一つの電気化学電池または軸方向に配置された複数の電気化学電池を含んでなる電池スタックであって、前記スタックの各末端にエンドプレートを備え、各電池は周囲領域で囲まれた活性領域を有し、
前記活性領域は膜電極アセンブリを有し、前記周囲領域は反応物用のチャネルを一つ以上有し、並びに
前記スタックは、前記活性領域に対して軸方向に圧力を加えて前記膜と前記電極を接触させる手段および前記周囲領域に対して軸方向に圧力を加える別個の手段を備えている、
電池スタック。
（２）
前記電池または各電池が、軸方向に配置されたバイポーラプレート、中空ガスケット、前記電極を密封する中空の周囲プレート、およびイオン交換膜を備え、
前記バイポーラプレートと前記膜の外側領域、前記ガスケット、および前記周囲プレートが前記周囲領域を形成し、ならびに
前記膜と前記電極の内側領域が前記活性領域を形成する、
項目１に記載の電池スタック。
（３）
実質的に管状である、項目１または２に記載の電池スタック。
（４）
前記周囲領域に圧力を加える手段が、軸方向に配置された少なくとも一つのタイロッドである、項目１〜３のいずれか一項に記載の電池スタック。
（５）
前記活性領域に圧力を加える手段および／または前記周囲領域に圧力を加える手段が、加える圧力の大きさを制御できるように調節可能である、項目１〜４のいずれか一項に記載の電池スタック。
（６）
前記活性領域に圧力を加える手段および／または前記周囲領域に圧力を加える手段がピストンである、項目１〜７のいずれか一項に記載の電池スタック。
（７）
前記ガスケットが熱可塑性である、項目２〜６のいずれか一項に記載の電池スタック。
（８）
周囲領域に囲まれた活性領域を備えた電池内で電気化学反応を行う方法であって、
前記活性領域に圧力を加えること、及び
前記電池が作動中に前記圧力を変更すること、
を含み、
前記活性領域が、膜電極アセンブリを有し且つ電池反応が起こる領域である、方法。
（９）
圧力が、前記周囲領域にも加えられ且つ電池の作動中に変更される、項目８に記載の方法。

Claims (8)

1. 一つの電気化学電池または１つの軸に沿って配置された複数の電気化学電池を含んでなる電池スタックであって、前記スタックの各末端にエンドプレートを備え、各電池は周囲領域で囲まれた活性領域を有し、
   前記活性領域は、膜及び電極を隣接して配列した膜電極アセンブリを有し、前記周囲領域は反応物用のチャネルを一つ以上有し、並びに
   前記スタックは、前記活性領域に対して前記膜及び前記電極の配列の軸方向に圧力を加えて前記膜と前記電極を接触圧力を有して接触させる手段並びに前記周囲領域に対して前記軸方向に圧力を加える別個の手段を備えており、
   前記活性領域に対して圧力を加える手段が、前記周囲領域に対して圧力を加える手段と分離されており、
   前記活性領域に圧力を加える手段で前記活性領域に対して圧力を加えるとき、前記周囲領域に圧力を加える手段で前記周囲領域に対して圧力は加えられず、また、前記周囲領域に圧力を加える手段で前記周囲領域に対して圧力を加えるとき、前記活性領域に圧力を加える手段で前記活性領域に対して圧力は加えられず、
   前記活性領域に圧力を加える手段が、水圧ピストンまたは水圧ポンプであり、かつ前記周囲領域に圧力を加える手段が、水圧ピストンまたは水圧ポンプである、
   電池スタック。
2. 前記電池または各電池が、前記軸方向に配置されたバイポーラプレート、内側領域が中空のガスケット、前記電極を密封する内側領域が中空の周囲プレート、および前記膜電極アセンブリの電解質膜としてのイオン交換膜を備え、
   前記バイポーラプレートと前記膜の外側領域、前記ガスケット、および前記周囲プレートが前記周囲領域を形成し、ならびに
   前記膜と前記電極の内側領域が前記活性領域を形成する、
   請求項１に記載の電池スタック。
3. 前記電池スタックが管状である、請求項１または２に記載の電池スタック。
4. 前記活性領域に圧力を加える手段および／または前記周囲領域に圧力を加える手段が、加える圧力の大きさを制御できるように調節可能である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池スタック。
5. 前記ガスケットが熱可塑性である、請求項２に記載の電池スタック。
6. 前記周囲領域に圧力を加える手段が、前記軸方向に配置された少なくとも一つのタイロッドである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池スタック。
7. 周囲領域に囲まれた活性領域を備えた電池内で電気化学反応を行う方法であって、
   前記活性領域が、膜及び電極を隣接して配列した膜電極アセンブリを有し且つ電池反応が起こる領域であり、
   前記周囲領域が反応物用のチャネルを一つ以上有し、
   前記活性領域に対して前記膜及び前記電極の配列の軸方向に圧力を加えて前記膜と前記電極を接触圧力を有して接触させること、及び
   前記周囲領域に対して前記軸方向に別個に圧力を加えること、
   を含み、
   前記活性領域に圧力を加える手段で前記活性領域に対して圧力を加えるとき、前記周囲領域に圧力を加える手段で前記周囲領域に対して圧力は加えられず、また、前記周囲領域に圧力を加える手段で前記周囲領域に対して圧力を加えるとき、前記活性領域に圧力を加える手段で前記活性領域に対して圧力は加えられず、
   前記活性領域に圧力を加える手段が、水圧ピストンまたは水圧ポンプであり、かつ前記周囲領域に圧力を加える手段が、水圧ピストンまたは水圧ポンプである、方法。
8. 前記活性領域及び前記周囲領域の少なくとも一方に加えられる圧力が、電池の作動中に変更される、請求項７に記載の方法。

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